海潮對(duì)廈門臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)的干擾特征＊

熊先保 林春梅 黃曉華 楊婕 黃朝輝 林立峰 徐智明

(1)福建省地震局廈門地震臺(tái),廈門 361003 2)國(guó)家海洋局廈門海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站,廈門 361002)

海潮對(duì)廈門臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)的干擾特征＊

熊先保1)林春梅2)黃曉華1)楊婕1)黃朝輝2)林立峰1)徐智明1)

(1)福建省地震局廈門地震臺(tái),廈門 361003 2)國(guó)家海洋局廈門海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站,廈門 361002)

通過對(duì)比廈門臺(tái)與內(nèi)陸臺(tái)站的地形變資料,并排除多種對(duì)廈門臺(tái)洞體應(yīng)變資料可能的干擾因素后發(fā)現(xiàn),疊加在該測(cè)項(xiàng)固體潮觀測(cè)記錄曲線上的許多“毛刺”等高頻現(xiàn)象是由海潮浪涌運(yùn)動(dòng)引起的。和地傾斜儀器受海潮干擾的類型不同,廈門臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)受到的海潮干擾屬振動(dòng)型。

干擾特征;干擾類型;海潮;洞體應(yīng)變觀測(cè);廈門臺(tái)

1 前言

廈門臺(tái)所在的廈門島四周環(huán)海,僅在島的北稍偏西方向有一海堤與大陸相連,地形變觀測(cè)儀器就安裝在島內(nèi)西南部的山洞內(nèi),與海岸線的最近距離僅 620米,因此,其地形變觀測(cè)資料受海潮干擾嚴(yán)重[1-4]。在 20世紀(jì) 80年代剛開始開展地形變觀測(cè)時(shí),廈門臺(tái)只有 SQ-70型水平擺地傾斜一種觀測(cè)手段,并且還是光記錄型手工模擬量圖,由于地形變觀測(cè)手段單一,觀測(cè)時(shí)間短,資料的積累特別是臨海臺(tái)站的資料積累不夠,再加上其他形式的干擾,導(dǎo)致了在觀測(cè)資料中很難分辨海潮對(duì)地形變觀測(cè)的干擾形式。在“九五”期間,廈門臺(tái)新增加了洞體應(yīng)變儀、水管儀、垂直擺、重力儀、GPS等數(shù)字化地形變觀測(cè)儀器,每天的數(shù)據(jù)量以 1兆多的數(shù)量增長(zhǎng),而且還有大量的模擬數(shù)據(jù)及資料。和上世紀(jì)的觀測(cè)條件相比,觀測(cè)手段增多,而且同一手段的數(shù)據(jù)采集率也提高了 60倍,大大地?cái)U(kuò)展了觀測(cè)的頻帶范圍。另外,水平擺光記錄模擬資料長(zhǎng)達(dá) 20多年 (1985-05—2007-04),洞體應(yīng)變儀、垂直擺與水管儀數(shù)字化資料的長(zhǎng)度也接近 9年 (2000年 8月至今 ),能同時(shí)提供整點(diǎn)值、分鐘值及并行的模擬觀測(cè)數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目還收集了國(guó)內(nèi)其他有關(guān)臺(tái)站的相關(guān)數(shù)據(jù),如此豐富的地形變資料為我們提取海潮干擾的多種形式提供了基礎(chǔ)。

現(xiàn)有的資料表明[5-7]：國(guó)內(nèi)外在研究海潮對(duì)地形變資料的干擾方面,都注重海潮效應(yīng)的改正,即如何從地形變資料中將海潮的影響“剔除”掉,并且都是涉及到大范圍的計(jì)算與改正。但是,從觀測(cè)的角度出發(fā),從臺(tái)站所處的具體地理環(huán)境以及儀器的架設(shè)方位出發(fā),來(lái)研究海潮對(duì)觀測(cè)資料的干擾特征,有關(guān)這方面的文章目前還不多見。本文試圖從廈門臺(tái)多年觀測(cè)得到的洞體應(yīng)變資料出發(fā),識(shí)別并總結(jié)出海潮對(duì)該測(cè)項(xiàng)干擾的各種形式與特征,并嘗試對(duì)這些干擾形式與特征給出合理的解釋。

2 海潮對(duì)洞體應(yīng)變觀測(cè)的干擾特征

一般說(shuō)來(lái),儀器觀測(cè)環(huán)境受到的干擾可以分為負(fù)荷型、振動(dòng)型、氣象型與電磁型 4種類型,而這 4種類型從時(shí)間上又可分為周期性和非周期性兩種。象一般的人為干擾、電磁干擾和動(dòng)物干擾等都獨(dú)立于儀器的觀測(cè)對(duì)象之外,具有偶然性和非周期性,或有周期性但持續(xù)的時(shí)間不長(zhǎng)(相對(duì)于觀測(cè)儀器壽命來(lái)說(shuō)),在經(jīng)歷了一段時(shí)間甚至相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間后,這種干擾最終肯定會(huì)消失。而海潮的干擾則不一樣,它始終都疊加在固體潮汐之上,原因就在于海潮與固體潮源于相同的引潮力和起潮力,都是在日、月等天體的共同作用下出現(xiàn)的同源異象現(xiàn)象,是相對(duì)的不易變形的固體地殼與易流動(dòng)的液體海水對(duì)上述引潮力和起潮力的響應(yīng);反過來(lái),流動(dòng)的海水又以潮汐運(yùn)動(dòng)的形式施加在固體地殼上,使架設(shè)在其上的地形變儀器記錄到了第二次地殼變形信息,這就是海潮干擾的形成過程。隨著地形變觀測(cè)對(duì)象的不同以及海潮運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性,海潮的干擾在觀測(cè)資料中的表現(xiàn)形式又多種多樣。

和內(nèi)陸臺(tái)站的相比,臨海臺(tái)站的日變化資料不僅能清晰記錄到固體潮變化趨勢(shì),而且還能記錄到獨(dú)有的海潮干擾信息。如圖 1所示,廈門臺(tái)自開展數(shù)字化洞體應(yīng)變觀測(cè)以來(lái),每天的日變觀測(cè)曲線都是在總的固體潮趨勢(shì)下疊加了很多“毛刺”成分;而對(duì)于同類型的觀測(cè)儀器,內(nèi)陸臺(tái)站薊縣臺(tái)的日變化曲線卻相對(duì)光滑,基本上只顯示出正常的固體潮趨勢(shì)變化。在開始觀測(cè)不久的一段日子里,我們總認(rèn)為廈門臺(tái)的觀測(cè)儀器受到了某種人為干擾或電源方面的干擾甚至是氣壓干擾,并試圖找出這種干擾的來(lái)源,結(jié)果上述所有的干擾都被否定了。長(zhǎng)期的觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)告訴我們,這種所謂的“毛刺”,實(shí)際上就是一種高頻干擾,可以通過設(shè)計(jì)一低通濾波器過濾掉,從而得到和內(nèi)陸臺(tái)站一樣光滑的曲線,圖 2就是將圖 1過濾高頻信息后得到的,從圖 2中看到,廈門臺(tái)的觀測(cè)曲線變得十分光滑,變化很大,而薊縣臺(tái)的相對(duì)來(lái)說(shuō)變化不大。那么,這種“毛刺”現(xiàn)象到底是由什么引起的呢?

圖 1 廈門臺(tái)與薊縣臺(tái)洞體應(yīng)變東西分量原始觀測(cè)曲線Fig.1 Curves of the original observation of EW component of cave strain at Xiamen and Jixian seis mostations

圖 2 濾波后的廈門臺(tái)與薊縣臺(tái)洞體應(yīng)變東西分量觀測(cè)曲線Fig.2 Observation curves of E W component of cave strain at Xiamen and Jixian seis mostations after filtering

3 海潮對(duì)洞體應(yīng)變干擾的判斷依據(jù)

大量的資料分析表明,廈門臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)曲線上疊加的“毛刺”現(xiàn)象實(shí)際上就是海潮干擾的一種表現(xiàn)形式,尤其是在固體潮曲線的波峰或波谷處,“毛刺”現(xiàn)象顯得更為突出。不僅廈門臺(tái)的資料如此,臨海臺(tái)站的資料都會(huì)或多或少地出現(xiàn)這種情況,這與干擾的程度和觀測(cè)儀器離海岸線的距離有關(guān),越接近海岸線的觀測(cè)儀器,受到的干擾就會(huì)越大(圖 3)。

從薊縣臺(tái)、汕頭臺(tái)到廈門臺(tái),隨著距離海岸線越來(lái)越近,原始觀測(cè)曲線上的“毛刺”現(xiàn)象也越來(lái)越嚴(yán)重。對(duì)某一固定的洞體應(yīng)變儀來(lái)說(shuō),這種海潮干擾在觀測(cè)的兩個(gè)分量上面都有所體現(xiàn),干擾程度的大小和兩分量?jī)x器的布設(shè)方位有關(guān)系,對(duì)廈門臺(tái)來(lái)說(shuō),海潮對(duì)NS分量的干擾要稍大于 EW分量的(圖4)。

圖 4 廈門臺(tái)洞體應(yīng)變南北與東西分量原始觀測(cè)曲線Fig.4 Curves of the original observation of NS and EW-components of cave strain at Xiamen seismostation

3.1 人為干擾的排除

如前所述,“毛刺”現(xiàn)象如果是人為所致,那它肯定持續(xù)不了太長(zhǎng)的時(shí)間,并且具備有一定的人類活動(dòng)規(guī)律性。但實(shí)際上,廈門臺(tái)自從開展洞體應(yīng)變觀測(cè)以來(lái),觀測(cè)資料曲線上就一直疊加有“毛刺”現(xiàn)象,就是到現(xiàn)在每天產(chǎn)出的資料中也仍然在不斷地出現(xiàn),即使更換新的儀器,嘗試用不同種類的電源給儀器供電,這種現(xiàn)象依然存在。由此可見,“毛刺”現(xiàn)象并非人為干擾或電源干擾。

3.2 氣壓干擾的排除

在日、月等天體的引潮力作用下,大氣壓強(qiáng)也會(huì)顯示出一定的潮汐波,稱為大氣潮波。頻譜分析表明,大氣潮也有完整的周日波與半日波,和海潮、固體潮一樣,同屬于“同源異象”的本質(zhì)。大氣潮波也是影響數(shù)字化觀測(cè)的因素之一,特別是對(duì)洞體應(yīng)變觀測(cè)有明顯的影響。

有研究表明[8],氣壓的變化會(huì)對(duì)鉆孔體應(yīng)變的觀測(cè)造成一定的干擾,兩者的相關(guān)系數(shù)在 0.6以上。那么,廈門臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)曲線上疊加的“毛刺”現(xiàn)象會(huì)不會(huì)就是氣壓干擾所致呢?為此,我們利用廈門臺(tái) 2005年全年的氣壓和洞體應(yīng)變分鐘值觀測(cè)資料,用相同參數(shù)的高頻濾波器分別對(duì)上述資料進(jìn)行濾波,得到各自的高頻信息,既然“毛刺”現(xiàn)象屬于高頻信號(hào),那么它就肯定包含在濾出的信號(hào)中。

表 1就是上述兩高頻信息之間通過一元回歸所得到的相關(guān)系數(shù),從表 1(表中“()”中的數(shù)字代表相位,用時(shí)間表示,單位：分鐘;“()”中前面“-”代表氣壓滯后洞體應(yīng)變。表 2、3同)中看出,相關(guān)系數(shù)實(shí)際上很低,最大的也不超過 0.3,這就說(shuō)明,廈門臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)曲線上疊加的“毛刺”現(xiàn)象并不是氣壓干擾所致。為了更進(jìn)一步搞清氣壓干擾洞體應(yīng)變的機(jī)制,我們也用相同參數(shù)的低頻濾波器,采用上述相同的方法,對(duì)上述資料進(jìn)行處理,得到的相關(guān)系數(shù)如表 2,從表中看出,兩者的相關(guān)系數(shù)相對(duì)較大,最高的在 0.7以上,和文獻(xiàn)[8]得到的結(jié)果吻合得較好。這就表明,氣壓如果對(duì)洞體應(yīng)變觀測(cè)有干擾的話,那么干擾主要體現(xiàn)在低頻部分而不在高頻部分。顯然這種干擾在本質(zhì)上屬于氣象型干擾,氣壓擾動(dòng)形成的壓力差以波動(dòng)形式直接作用在洞體應(yīng)變儀的含鈮特種銦瓦棒或傳感器探頭上,使得記錄曲線中疊加了多種波的成份,和海潮負(fù)荷干擾類似,這些波動(dòng)頻率與固體潮的幾乎相同,因此很難將其從記錄資料中分離開來(lái)。由于波的傳播需要一定的時(shí)間,因此,氣壓引起的洞體應(yīng)變的干擾總會(huì)落后于氣壓擾動(dòng)一定的時(shí)間。但是,由表 2得到的結(jié)果與文獻(xiàn)[8]的結(jié)論存在明顯相悖之處：1)在相位上,氣壓滯后洞體應(yīng)變的時(shí)間不穩(wěn)定,分散性大;2)相關(guān)系數(shù)的波動(dòng)范圍也較大,既有正相關(guān),也有負(fù)相關(guān),不符合相關(guān)規(guī)律;3)用相同的方法處理內(nèi)地臺(tái)站的資料,如薊縣臺(tái)的(表 3),也能得到前面的結(jié)論 1)、2),但薊縣臺(tái)的資料相當(dāng)光滑。值得說(shuō)明的是,由于固體潮與大氣潮來(lái)源于相同的力源,因此在低頻部分兩者的相關(guān)系數(shù)較高就不足為奇了,換句話說(shuō),即使將洞體應(yīng)變儀安裝在真空中,其所觀測(cè)到的資料與氣壓資料進(jìn)行相關(guān)分析,相關(guān)系數(shù)仍然不會(huì)有很大的變化。因此,在廈門臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)資料中,每天出現(xiàn)的“毛刺”現(xiàn)象并非由氣壓干擾引起,而應(yīng)另找原因。但是,這也并不能否認(rèn)氣壓對(duì)洞體應(yīng)變觀測(cè)的影響。例如,極端天氣氣壓的典型干擾就會(huì)造成單個(gè)的“毛刺”現(xiàn)象。

表 1 廈門臺(tái)洞體應(yīng)變與氣壓的高頻信息中得到的相關(guān)系數(shù)Tab.1 Correlation coefficients of high-frequency information between cave stra in at Xiamen sei smostation and atmospheric pressure

表 2 廈門臺(tái)洞體應(yīng)變與氣壓的低頻信息中得到的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficients of low-frequency information between cave stra in at Xiamen seismostation and at mospheric pressure

表 3 薊縣臺(tái)洞體應(yīng)變與氣壓的低頻信息中得到的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients of low-frequency information between cave stra in at Jixi an seismostation and atmospheric pressure

圖 5是廈門臺(tái) 2005年 5月 9日的氣壓和洞體應(yīng)變的分鐘值觀測(cè)曲線,當(dāng)日有臺(tái)風(fēng),大約在 15時(shí)25分左右,氣壓圖上有一明顯擾動(dòng),相應(yīng)地在洞體應(yīng)變的兩個(gè)分量上就出現(xiàn)類似的干擾,象這種情況,我們?cè)谟^測(cè)中已遇到過多次。但是,這種“毛刺”現(xiàn)象持續(xù)的時(shí)間并不長(zhǎng)久,極端天氣一消失,“毛刺”也沒有了,和極端天氣有很好的對(duì)應(yīng)性,很容易認(rèn)定它就是由氣壓擾動(dòng)引起。

3.3 降雨干擾的排除

2006年 5月 18日,臺(tái)風(fēng)“珍珠”襲擊廈門,由此帶來(lái)傾盆大雨,在不到 24小時(shí)內(nèi)降雨量超過 200 mm。受強(qiáng)降雨的影響,廈門臺(tái)當(dāng)天洞體應(yīng)變觀測(cè)受到嚴(yán)重干擾,EW分量急劇下降,記錄曲線也因此發(fā)生嚴(yán)重畸變,如圖 6所示。該月隨后的幾次連續(xù)降雨,也造成了 EW分量記錄曲線趨勢(shì)性的下降,且對(duì)應(yīng)性相當(dāng)好。NS分量也有所反應(yīng),但對(duì)應(yīng)性沒有EW分量的強(qiáng)。在圖上我們直觀地看到,降雨對(duì)洞體應(yīng)變觀測(cè)的干擾是一種趨勢(shì)性的干擾,并非是疊加在觀測(cè)日變化曲線上的“毛刺”高頻干擾。至于這種趨勢(shì)性干擾的機(jī)制及不同分量之間干擾的不同程度,還有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論與討論

圖5 氣壓干擾典型圖像Fig.5 Typical curves of atmospheric pressure disturbance on the cave strain observation

圖6 雨量干擾典型圖像Fig.6 Typical curves of rainfall disturbance on the cave strain observation

廈門臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)受到海潮干擾的特征是記錄曲線上出現(xiàn)“毛刺”等高頻現(xiàn)象,它全天候地疊加在應(yīng)變固體潮曲線上。造成這種現(xiàn)象的根本原因就是海浪浪涌運(yùn)動(dòng),海浪浪涌周期性地拍打海岸線,以地脈動(dòng)的形式在固體地殼內(nèi)傳遞,在地表水平方向上被高精度的洞體應(yīng)變儀所記錄到,離海岸線越近,“毛刺”現(xiàn)象就越明顯。與傾斜類儀器受到的負(fù)荷型干擾類型不同,應(yīng)變觀測(cè)受到的海潮干擾是振動(dòng)型。

1 熊先保,等.廈門臺(tái)數(shù)字化潮汐資料背景變化及其主要干擾因素[J].大地測(cè)量與地球力學(xué),2006,(supp.)：43 -49.

2 熊先保,等.海水加載引起的廈門臺(tái)地傾斜變化 [J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2006,(4)：76-81.

3 熊先保,等.海潮對(duì)廈門臺(tái)地傾斜干擾的可能機(jī)制[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2007,(6)：45-50.

4 張遠(yuǎn)城,等.數(shù)字化形變臺(tái)站觀測(cè)資料質(zhì)量跟蹤分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2003,(4)：125-128.

5 周江存,等.近海潮汐效應(yīng)對(duì)測(cè)站位移的負(fù)荷影響[J].地球物理進(jìn)展,2007,22(5)：1 340-1 344.

6 王文利,等.用 CSR4.0+CS模型計(jì)算海潮負(fù)荷改正[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2003,(4)：70-74.

7 孫和平,等.基于全球超導(dǎo)重力儀觀測(cè)研究海潮和固體潮模型的適定性[J].中國(guó)科學(xué)D集地球科學(xué),2005,35 (7)：649-657.

8 王梅.數(shù)字化體應(yīng)變與氣壓、水位相關(guān)性研究[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2002,(4)：85-88.

D ISTURBANCE CHARACTERISTICS OF CAVE STRA IN OBSERVATION CAUSED BY SEA TIDE AT XIAM EN SEISMOSTATION

Xiong Xianbao1),Lin Chunmei2),Huang Xiaohua1),Yang Jie1),Huang Chaohui2),Lin Lifeng1)and Xu Zhiming1)

(1)X iam en Seism ostation,Earthquake Adm inistration of Fujian Province,Xiam en 361003 2)X iam en Ocean Environm entM onitoring Station,China Ocean Adm inistration,X iam en 361002)

By contrasting the geo-defor mation materials observed at Xiamen station with that at the inland seismostations and excluding a variety of possible disturbing factors on cave strain materials,it is found that lots of“burr”and another high-frequency phenomenon which superpose on the solid tide observation curves are caused by sea tide surge movement.Different from the observations of ground tilt instruments,the type of sea tide disturbance on cave strain observation is belong to vibration type.

d:disturbance characteristic;disturbance type;sea tide;cave strain observation;Xiamen seismostation

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0033-05

2009-08-11

廈門市科技局社會(huì)發(fā)展創(chuàng)新項(xiàng)目(3502Z20074037);福建省地震局青年學(xué)術(shù)骨干科研基金

熊先保,男,1963年生 ,高級(jí)工程師,主要從事定點(diǎn)形變觀測(cè)與地震預(yù)測(cè)研究.E-Mail：xxb1963@163.com

P135.72+5

A